На сьогоднішній день завдяки тепловізорам (що робить видимим інфрачервоне випромінювання), можна виявити найдрібніші зміни у нормальній роботі двигунів, насосів, конвеєрів тощо. За останні десятиліття інфрачервоні камери, завдяки яким стало можливим безконтактний вимір температури, помітно розширили сферу свого застосування. Такі прилади дають можливість у режимі реального часу здійснювати безпечний для людей, віддалений моніторинг усієї ситуації в цілому та дозволяють проводити швидкий та своєчасний аналіз того, що відбувається. Тепловізори мають широке застосування у сфері послуг. Крім того, на даний момент саме тепловізори вважаються тим високотехнологічним обладнанням, яке гарантує отримання найбільшої віддачі інвестицій у мінімальні терміни.
Загальна кількість інфрачервоних камер у цій сфері помітно збільшилась за останні 10 років. Розвиток технологій, розширив кількість потенційних користувачів, багато з яких ніколи раніше вважали неможливим для себе їх використання через високу вартість тепловізорів.
З розширенням як числа тепловізорів, і їх можливостей першому плані виходить завдання їх ефективного використання.
Правильна експлуатація даних приладів вимагає розуміння того принципу, який лежить в основі їхньої дії.
Принцип дії тепловізорів.
Інфрачервоне випромінювання є частиною електромагнітного спектру і поводиться так само, видиме людським оком світло. Воно поширюється у просторі зі швидкістю світла і так само, як і світло - відбивається, заломлюється, поглинається і випромінюється.
Малюнок 1
Інфрачервоне випромінювання є частиною електромагнітного випромінювання з більшою довжиною хвилі, ніж видимий людиною спектр. Щоправда, справедливо слід зазначити, що це випромінювання лише одне з тих, чия присутність ми не помічаємо. Адже крім видимого нами світла, електромагнітне випромінювання включає і багато інших хвиль - ультрафіолетові промені, рентгенівські і т.д.
Класифікують інфрачервоні детектори та тепловізори за довжиною хвилі, яку вони вловлюють. Одиницею виміру є мікрон. Наприклад, система, яка може "бачити", від 8 до 12 мікрон вважається довгохвильовою, а інфрачервоні камери та тепловізори з таким діапазоном називають довгохвильовими, тому що вони "бачать" у довгостроковій частині інфрачервоного спектру.
Всі об'єкти випромінюють інфрачервону енергію, довжина хвилі якої залежить від їхньої температури. Це означає, що всі об'єкти випромінюють інфрачервоне випромінювання. Інфрачервоне випромінювання створюється вібрацією та обертанням атомів та молекул усередині тіла. Що температура об'єкта, то більше вписувалося їх рух і, отже, тим більше енергії, випромінюваної в інфрачервоному спектрі. Камери не бачать температури, вони виявляють саме теплове випромінювання.
Малюнок 2. Термограма будівель
E + T + R=1 - закон Кірхгофа
Немає жодної інфрачервоної камери, яка зчитує температуру безпосередньо. Тепловізори вважають кількість енергії, що надходить від мети. А цю енергію включає: E випромінюваних, T і R переданих і відбитих одиниць енергії.
Як ми вже говорили раніше, усі об'єкти випромінюють енергію. Інфрачервоне випромінювання, яке випромінюється об'єктом, залежить від двох причин: власна температура тіла та кількість тепла, яке воно відображає.
Відбита енергіяR.
Теплове випромінювання тілає його фізичною особливістю. У навколишньому світі коефіцієнт випромінювання може бути визначений як здатність об'єкта поглинати інфрачервоне випромінювання. Ми розраховуємо відображене інфрачервоне випромінювання як властивість властиве об'єкту, з встановленим коефіцієнтом від 0 до 1. При цьому 0 об'єкт є ідеальним R, або так званим ідеальним відбивачем - будь-яка енергія, яка досягає його поверхні, відображається назад з нульовими втратами. А будь-який об'єкт, що має коефіцієнт 1 R, є ідеальним поглиначем, адже всі види енергії, що потрапляють на поверхню об'єкта, з коефіцієнтом відображення 1 R будуть повністю поглинатися. Жоден перерахованих вище прикладів у природі немає.
Важливо, що відбите випромінювання перестав бути стандартним набором цифр. Це властивість поверхні матеріалу і залежить від таких факторів як його форма, кут огляду, довжина хвилі та температура навколишнього середовища.
R у нашому випадку, є одним з видів інфрачервоних хвиль, що відображаються об'єктом. R – це показник того, скільки саме інфрачервоного випромінювання відбивається від поверхні об'єкта, і не є його власним випромінюваним теплом. Часто в камерах визначається як треф або Tamb. Тобто. це кількість тепла, яке отримує об'єкт із навколишнього середовища.
Коефіцієнт пропускання Т.
Ця властивість матеріалу є часткою інфрачервоного випромінювання, яке передається крізь нього. Наприклад, скло має низьку прозорість у довгохвильовому, інфрачервоному спектрі. Тому виробники тепловізорів часто використовують у своїх лінз германій. Німеччина має майже ідеальну прозорість саме у довгохвильовому, інфрачервоному спектрі.
Часто і продавці та користувачі маєш справу з телевізорами, вважають основною специфікою їхньої роботи вміння показати саме випромінюване тілом (об'єктом) тепло. Проте, слід пам'ятати, що коефіцієнт випромінювання становить лише одну третину рівняння.
Якщо ми зацікавлені в точному вимірі температури, ми повинні брати до уваги не тільки кількість енергії, що випромінюється об'єктом. Тільки сума коефіцієнтів випромінювання, пропускання та відбиття тепла дасть в результаті 1. А отже для того, щоб робота тепловізора була найбільш ефективною і забезпечувала в результаті вимірювання точні дані про температуру об'єкта треба запам'ятати, що використання формули E + T + R=1 забезпечить нам більше можливостей для цього
Співвідношення розміру плями об'єкту.
Іншим важливим фактором, при вимірюванні температури тепловізором, є співвідношення розміру плями до об'єкта, що вимірювається. Розмір плями також впливає на здатність інфрачервоних камер визначати на відстані температуру заданого об'єкта. Чим більша роздільна здатність у тепловізора і чим більша кількість пікселів містить матриця його екрану, тим більш точним буде вимірювання фактичної температури об'єкта. Наприклад:
Малюнок 3.
Перехрестя (або Spot 1) на зображенні і є коло в центрі. Коло містить у собі певну кількість пікселів, дані з яких усереднюються разом, щоб зняти показання температури. Будь-який об'єкт, який ми хочемо виміряти, повинні "вписатися" в це коло. Якщо наша мета в повному обсязі його заповнює, слід пам'ятати у тому, що з розрахунку температури, враховуватимуться і дані про навколишній об'єкт середовищі, тобто. ми вимір не буде точним.
Співвідношення розміру плями до об'єкта, як правило, подається у вигляді відношенняD:S.Наприклад, тепловізором із співвідношеннямD:S –20:"1" можна виміряти 1-дюймовий об'єкт з 20 метрів. Пам'ятайте, що співвідношення розміру плями до об'єкта є неодноразово і назавжди задане число, а саме ставленням. Тобто. в залежності від того ближче чи далі ми від мішені, співвідношенняD:Sзмінюватиметься, стаючи відповідно, менше чи більше.
Кількість пікселів і здатність оптики відіграють велику роль у визначенні співвідношення розміру плями до об'єкта в тепловізорах. Наприклад, якщо ми маємо три тепловізори мають однакову оптичну роздільну здатність, але з різною кількістю пікселів, 160x120, 320x240, 640x480, то розмір співвідношення плями до об'єкта буде помітно відрізнятися. Чим більша кількість пікселів, тим детальніше зображення. Так само чим більше пікселів, ми можемо отримати по меншій меті, тим краще співвідношенняD:S.
Наприклад, наведено нижче три зображення, збережені за допомогою трьох різних систем. Ці зображення були зняті з однієї й тієї ж відстані тепловізорами, що мають ідентичну оптику, але різні екранні матриці:
Малюнок 4.
Малюнок 5.
Малюнок 6.
Зверніть увагу, при якій роздільній здатності екрана виміряно максимальну температуру, отриману в результаті:
160x120тепловізор - 53 градуси
320x240тепловізор – 117 градусів
640x480тепловізор – 138 градусів
У розглянутому випадку співвідношенняD:S. збільшилася, і вимірювалася все менша і менша площа, і, таким чином, були отримані точніші дані температури гарячої точки. Справді, за 640x480 ми можемо побачити проблеми, які не були видно на інших зображеннях.
Застосування телефотографічної оптики покращує співвідношення S:D в інфрачервоних камерах, за рахунок звуження поля зору. Зменшивши за допомогою оптики розмір вимірюваної ділянки (просто наблизивши її), у нас з'являється можливість покращити точність результатів. Наприклад, у тепловізора з екраном 160x120 і стандартним 25-ти градусним об'єктивом співвідношення S:D становить близько 10": 1." Якщо ми будемо використовувати 12-ти градусний телефото об'єктив, замість стандартного, наше відношення розмірів плями до об'єкта покращується до 20": 1" незважаючи на те, що ми використовуємо ту саму камеру. Тим не менш, за допомогою об'єктива ми подвоїли розмір поверхні для сканування.
Аргументом на користь використання камер з високою роздільною здатністю екрану служить і те, що ми можемо використовувати, стандартні об'єктиви з широким кутом зору, при вимірюванні дрібних деталей на відстані.
Поширена помилка Надмірне підкреслення вимірювання температури.
З того часу, як відбулося введення радіометричних систем, стало тенденцією покладатися на вимірювання температури як індикатор працездатності обладнання. NETA та багато інших навіть зробили "оцінки серйозності обладнання", засновані на температурі. В результаті і при підготовці наукових кадрів і надалі, вчені термографи стали постійно використовувати результати вимірювань температури за допомогою тепловізорів у своїх доповідях. Однак великою проблемою саме для «вимірювання температури» є те, що має цей вимір сенс чи ні. Наприклад, розглянемо відносно невелику різницю температур між двома контактами акумуляторної батареї. У нашому випадку температура «поганого» контакту становить 119 F, +/- 3F. У більшості випадків при врахуванні принципів доцільності та можливих проблем це кваліфікуватиметься як незначна проблема.
В даному випадку набагато важливіше враховувати не температуру даного елемента, а електричний струм (навантаження), що проходить через нього. Контакт батареї став гарячим через високий опір. Під час вимірювання в акумуляторі видавала струм потужністю 60 міліампер (мА). Потужність акумулятора була оцінена у 200 ампер. Проігнорувавши той факт, що при підвищенні навантаження опір відповідно і температура і теплообмін будуть збільшуватися, втрати потужності при навантаженні в 200 А, будуть майже в 11 мільйонів разів, перевищувати розсіювання потужності при початковому вимірі. Це може призвести до нестачі потужності, яку ми пропустили б! Сила струму одна із вирішальних чинників під час аналізу електричних систем.
Поширена помилка: Ігнорування вимірювання температури.
Так як ми щойно обговорювали ситуацію, де надмірно покладалися на інформацію про температуру, нам варто розглянути і зворотний варіант. Що, буде, якщо ми покладатимемося лише на одиничний якісний висновок?
Наприклад, вимірювання кабелю, що нагрівся, вказує на появу гарячої точки в з'єднанні. Звичайним способом вирішення цієї проблеми буде необхідність зачистки дроту та нової затяжки з'єднання. Це допоможе вирішити проблеми із цим підключенням, але це ще не вся історія. Вимірювання в сусідніх точках, кажуть нам, що на прилеглих ділянках проводки (у цьому прикладі температура кабелю 115 градусів Цельсія), існуюча температура вище гранично допустимої для ізоляції кабелю. Ізоляція кабелів зношена настільки, що щоб виправити проблему необхідна повна заміна їх новими.
Кількісна термографія важлива, коли температура близька до верхньої допустимої для обладнання межі. Є багато інших прикладів, коли кількісні вимірювання є необхідними, наприклад, діагностика конденсатовідвідників, запобіжних клапанів або визначення пріоритетних дій для виправлення ситуації.
Поширена помилка: неправильне розшифрування даних.
Багато людей, які займаються інфрачервоною термографією, зводять себе в ранг експертів. Чи подобається вам це чи ні, вас вважають експертом у тому, що ви бачите, використовуючи ваш тепловізор. Дуже важко для необізнаної людини ідентифікувати електричні деталі. Але немає жодного виправдання, якщо неправильне розшифрування даних робиться щодня.
Джерела інформації для правильного розшифрування даних включають персонал підприємства, такий як механіки, електрики, техніки, а також інженерів, менеджмент, посібник з експлуатації обладнання та промислові групи в Інтернеті.
Висновок
Тепловізор є надзвичайно корисним високотехнологічним обладнанням. І отримавши додаткову інформацію про властивості інфрачервоного випромінювання і як працюють тепловізори, ми можемо навчитися ефективніше їх застосовувати.